铌对高碳钢等温冷却过程中相变和珠光体片层间距的影响

新型金属材料课程设计说明书题目：铌对高碳钢等温冷却过程中相变和珠光体片层间距的影响学院：理学院专业：材料物理学号：201207120039学生姓名：罗树林指导教师：吴开明、张莉芹日期：2015.6.3铌对高碳钢等温冷却过程中相变和珠光体片层间距的影响罗树林摘要：通过Gleeble1500型热模拟试验机和显微镜，研究了铌对高碳钢等温冷却过程中相变和珠光体片层间距的影响。结果表明：高碳钢中加入0.03%的铌后对TTT曲线的影响几乎可以不计，对珠光体的相变温度几乎没有影响；铌对珠光体晶核的长大速度具有双重影响，使得加入铌后珠光体晶核的平均长大速度不变，转变温度区间宽度变化不大；铌能通过细化晶粒，阻碍碳的扩算来减小珠光体的片层间距。另外，通过与连续冷却的实验结果对比，发现用等温处理所获得的珠光体的片层间距更均匀。关键字：铌；高碳钢；等温冷却；珠光体片层间距Abstract:EffectofniobiumonphasetransformationandlamellarspacingofpearlitesofhighcarbonsteelsduringcontinuouscoolingwasstudiedGleeble1500thermo-mechanicalsimulatorandmicroscopes.Theresultsshowthataddingabout0.03wt%niobiumtohighcarbonsteelsmadealmostnoaffecttoTTT,andnearlygavepearlite’stransformationtemperaturenothing;Niobiumelementhadadoubleeffectonnucleationgrowthrateofpearlite,whichmadeaveragenucleationgrowthrateofpearlitekeptconstantandlittlechangesoftheintervalwidthoftransitiontemperatureafteraddingniobium.Niobiumcouldtessellatecrystalgrainsandhindercarbon’sdiffusing,whichcouldreducelamellarspacingofpearlites.Ontheotherhand,comparedwithCCT,wefindthattheintervalwidthofpearliteproducedbyTTTismoreuniform.Keywords:niobium;highcarbonsteels;continuouscooling;lamerllarspacingofpearlite引言：珠光体是过冷奥氏体在A1-550℃的共析转变产物，是铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物。通常根据渗碳体的形态不同，把珠光体分为片状珠光体、粒状珠光体两种。过冷奥氏体在A1—550间将转变为珠光体类型组织，根据片层厚薄不同，又细分为珠光体、索氏体和屈氏体。普通珠光体是指在光学显微镜下能清晰分辨出铁素体和渗碳体层片状组织形态的珠光体。它的片间距S0约为450~150nm，形成于A1~650℃温度范围内。索氏体是在650~600℃范围内形成的珠光体，其片间距较小，约为150~80nm,只有在高倍的光学显微镜下才能分辩出铁素体和渗碳体的片层形态。屈氏体是600~550℃范围内形成的珠光体，其片间距极细，约为80~30nm，在光学显微镜下根本无法分辨其层片状态特征，只有在电子显微镜下才能分辩出铁素体和渗碳体的片层形态。上述三种片状珠光体的组织形态如图1所示：(a)普通珠光体（c）屈氏体（b）索氏体图1各种珠光体的形貌片状珠光体中渗碳体呈片状，它是由片层相间的铁素体和渗碳体紧密堆叠而成。若干具有相同位向的铁素体和渗碳体组成的一个晶体群，称为珠光体团（也叫珠光体群或珠光体晶粒）。在一个原奥氏体晶粒内可以形成若干位向不同的珠光体团。珠光体组织的粗细程度（分散度或弥散度）是随温度而不同。这可以用珠光体的片间距（S0）来表示。片间距的定义是相邻两片渗碳体或铁素体中心之间的距离。S0的大小主要取决于珠光体形成的过冷度，也就是说它与珠光体的形成温度有关，可以用下面的经验公式表示：S0=C/▽T式中，C=8.02x10^4,A·K(1A=10^-10m)；▽T为过冷度，K。过冷度越大，珠光体的形成温度越低，片间距越小。实验证明，奥氏体的晶粒度以及均匀化程度，基本上不影响珠光体的片间距。而且，热处理工艺主要是影响奥氏体组织的晶粒度及均匀化程度，已经有人研究了铌对高碳钢连续冷却过程中相变和珠光体片层间距的影响，为了进一步证明，及探讨热处理工艺是否会进一步地影响珠光体的片层间距，我们对比着做了铌对高碳钢等温冷却过程中相变和珠光体片层间距的影响，比较了两组实验的结果，发现，两者的结果极其相似，但，仍然有一些不同的地方。这进一步证明了，奥氏体的晶粒度以及均匀化程度，基本上不影响珠光体的片间距。另外，片状珠光体的力学性能主要取决于片间距和珠光体团的直径。珠光体的片间距和珠光体团直径对强度和塑性的影响如图2所示。由图可看出，珠光体团的直径和片间距越小，钢的强度和硬度越高。图2珠光体团的直径和片间距对断裂强度和断面收缩率的影响珠光体钢可以用于珠光体钢焊条，高碳珠光体钢是制造轮胎钢丝及弹簧钢丝，纤维钢丝等的重要原料，用途广泛，因此，此次的研究工作，对实际应用有重要的指导意义。1.试样的制备与实验1.1成分设计。根据此次实验的研究目的，我们做了以下的成分设计：成分CSiMnNbCrVAlNiMo式样10.780.801.550.020.050.030.0050.020.05式样20.780.801.550.030.050.030.0050.020.05式样30.780.801.550.040.050.030.0050.020.05设计的原则是，保持C，Si，Mn等元素的含量不变，让铌的含量呈一个梯度的变化。1.2试样制备。根据设计的成分，我们制作出了相应的实验用高碳钢实验材料。实验材料为3个2kg的高碳钢钢锭，其中一个含铌量为0.02%，一个含铌量为0.03%，一个含铌量为0.04%。将钢锭铸造成直径为12mm的棒材，锻后进行860℃正火。把试样加工成直径为10mm，长为100mm的样品，样品首先在真空退火炉中1200℃均匀化2天，炉冷至室温。用线切割方法制取Ø8mm×12mm的标准试样。试验在Thermecmaster热模拟机上进行，将热电偶焊接在试样上，置于真空室中，将试验程序输入计算机，由计算机控制液压装置移动和高频发生器的功率输出，对试验过程的温度、时间、冷却速度精确控制。在实验中，先以10℃/s的升温速度，至奥氏体化温度（1000℃），等温停留5个小时，使奥氏体在该温度下发生组织转变，然后再冷却到室温。其等温冷却曲线如图3所示：温度/℃保温（1000℃）1000加热时间图3试样冷却方式将试样打磨，抛光，腐蚀后，在光学显微镜（OM）下观察组织，在扫描电镜（SEM）下测珠光体的片层间距。金相组织观察如图4所示：图4金相组织观察2.试验结果与讨论2.1铌对试验钢TTT曲线的影响用jmatpro软件模拟得到的TTT曲线如下图5所示：试样1试样2试样3图5试样的TTT曲线由图可以看出，微量铌元素的加入对高碳钢的TTT曲线几乎没有影响。原因分析：从杨超飞，吴庆辉等人的论文《铌对高碳钢连续冷却过程中相变和珠光体片层间距的影响》得知，高碳钢中加入0.04%的铌后能使CCT曲线明显向右下方移动，降低了珠光体的相变温度。然而，此次试验却证明，0.03%左右的铌元素的加入对高碳钢的TTT曲线几乎煤油影响。原因是，奥氏体化温度越高，保温时间越长，则形成的奥氏体晶粒越粗大，成分也越均匀，极大地提高了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移。在这里，我们用我们用奥氏体稳定性饱和度来描述奥氏体的稳定程度，相同条件下，奥氏体稳定性饱和值越大，奥氏体越稳定。本次试验的奥氏体化温度较高（1000℃），保温的时间也较长（5小时），所得到的过冷奥氏体的稳定性饱和度已经达到了最大，所以，加入更多的强碳化物形成元素铌时，C曲线也无法继续右移。因此，从表面上来看，我们可以认为，铌元素的高碳钢的TTT曲线几乎没有影响。2.3铌对珠光体片层间距的影响如下图6所示，为在扫描电镜（SEM）下观察到的珠光体的片层结构试样1试样2试样3图6扫描电镜下的片状珠光体组织由图6可以直观的看出，随着铌含量的增加，珠光体的片层间距逐渐减小，当铌的含量达到0.04%时，珠光体的片层间距达到最小。原因分析：铌是强碳化物形成元素，在高碳钢中的溶解度很低，在冷却过程中，可在高温奥氏体温区中以Nb(C,N)形式析出，阻碍碳的长程扩散，并降低珠光体的相变温度，起到细化珠光体片层间距的作用；同时在奥氏体－珠光体相变过程中由于铌的拖拽作用也抑制了碳的扩散距离，进一步减小了珠光体的片层间距，因此铌的加入有利于珠光体片层间距的减小。2.4热处理工艺对珠光体片间距的影响：如图7所示，为杨超飞，吴庆辉等人的论文《铌对高碳钢连续冷却过程中相变和珠光体片层间距的影响》里的片状珠光体组织的电镜照片：(a)含铌0.02%(b)含铌0.03%(c)含铌0.04%图7杨等的珠光体组织片层间距电镜照片与图6对比，能很直观地得出，相同条件下，等温处理得到的珠光体片间距更均匀。原因分析：刚在连续冷却过程中形成时，转变产物的片间距大小不等，高温形成的珠光体片间距大，低温形成的珠光体片间距较小，使得珠光体的片间距不均匀。这种片间距不等的珠光体在外力作用下，将引起不均匀的塑性变形，并导致应力集中，从而导致钢的强度和塑性都降低。所以，为了获得片间距均匀一致，强度高的珠光体，应采用等温处理。3.结论（1）铌对高碳钢的连续冷却曲线（TTT）几乎没有影响（2）铌可以显著减小片状珠光体的片层间距。（3）等温处理所获得的珠光体的片层间距更均匀。参考文献【1】叶宏，张春艳等《金属材料与热处理》【2】石德珂等《材料科学基础》【3】赵坚《铌对轨钢组织和性能的影响》【4】杨超飞等《铌对高碳钢连续冷却过程中相变和珠光体片层间距的影响》【5】黄亚鹤等《铬对BVRE重轨钢组织和强度的影响》